Преобразователи частоты: напряжение, двигатель, частота, ток

Преобразователи частоты: напряжение, двигатель, частота, ток

Использование в качестве управления электромоторами преобразователей частоты – такой вариант эксплуатации находит частое применение. Благодаря развитию электроники, получили толчок развития и силовые устройства, такие как преобразователи частоты. Основная задача электроприборов подобного рода заключается в преобразовании входного напряжения переменного (постоянного) тока в напряжение переменного тока определённой частоты. Учитывая конкретное применение техники, определяется — какой должен использоваться преобразователь — прямой или косвенной конфигурации.

Типы преобразователей частоты

Разработаны и применяются на практике (применительно к текущему моменту) четыре типа устройств такого рода:

  1. Инверторы.
  2. Конверторы.
  3. Прямые конверторы.
  4. Косвенные конверторы.

Инвертор

Структурная схема инвертора
Структурная схема инвертора: 1 – входной энергетический интерфейс; 2 – диодный мост; 3 – дроссель промежуточного звена постоянного тока; 4 – конденсаторный фильтр; 5 – инверторный модуль; 6 – нагрузка (электромотор)

Инвертор – фактически преобразователь частоты, функция которого заключается в преобразовании напряжения источника постоянного тока в напряжение тока переменной частоты. Конструкцию инвертора обычно составляют два рабочих модуля:

  1. Модуль инвертора.
  2. Модуль управления.

Инверторы, как правило, подключаются к источникам постоянного тока и нередко характеризуются приводными шинами постоянного тока.

Конвертор

Структурная схема конвертора
Структурная схема частотного конвертера: U – источник переменного тока; T – трансформирующий компонент; 1 – выпрямительно-инверторное устройство (ректификатор); 2 – фильтрующий модуль; 3 – электрическая нагрузка (электромотор); 4 – блок управления

Конвертор представляет собой электронное устройство, преобразующее входной переменный ток в переменное напряжение разной частоты. Конструкция конвертора состоит из четырех основных частей:

  • выпрямителя,
  • цепи постоянного тока,
  • инверторного блока,
  • блока управления.

Преобразователи, как правило, подключаются к источникам переменного тока.

Прямые частотные конверторы

Структурная схема циклоконвертера
Структурная схема однофазного циклоконвертера: 1 – источник переменного тока; 2 – трансформатор; 3 – первый модуль конвертера; 4 – второй модуль конвертера; 5 – нагрузка (электрический двигатель)

Прямые конверторы, подобные устройства, именуемым «циклоконверторы» и «матричные конверторы», изменяют входное напряжение и частоту непосредственно на выходе, без использования промежуточных звеньев постоянного тока. Циклоконверторы используются в составе мощных (мегаваттных) устройств, в основном, работающих на низких частотах.

Косвенные преобразователи частоты

Косвенные преобразователи выступают либо источниками тока, либо преобразователями напряжения. В преобразователе напряжения (VSC — Voltage Source Converter) наиболее распространенной топологии устройств с низким напряжением, промежуточный канал действует как источник постоянного напряжения.

Структурная схема косвенного конвертора
Структурная схема косвенного преобразователя частоты: А – выпрямительное устройство (схема ректификатора); B – инверторное устройство

Выход устройства даёт импульсы управляемого напряжения на постоянно изменяющейся частоте. Импульсы подаются на разные фазы трехфазной системы. Такой подход позволяет плавно регулировать скорость вращения двигателя.

Конструкция преобразователя источника переменного тока (CSC — Current Source Converter) действует как источник постоянного тока, а на выходе образуется токовый импульс (последовательность импульсов тока).

Приводы с модуляцией широты импульса (ШИМ)

Конструкциями низковольтных преобразователей VSC с регулируемой скоростью используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с переменной частотой переключения. Привод с модуляцией широты импульса наилучшим образом соответствует предъявляемым техническим требованиям. Используемые методы управления:

  • прямое управление крутящим моментом (DTC – Direct Torque Control),
  • векторное управление или скалярное управление,

зависят от конкретной модификации устройства и особенностей применения.

Конструкция преобразователя с модуляцией широты импульса характерна тем, что здесь выпрямителем преобразуется переменное номинальное напряжение и частота, в напряжение постоянного тока.

Выходное напряжение постоянного тока дополнительно фильтруется с целью уменьшения пульсаций напряжения, полученных в результате выпрямления. Затем инвертор преобразует напряжение постоянного тока в мощность выхода — переменный ток с регулировкой напряжения и частоты.

Выбор преобразователя для мотора

Преобразователь частоты следует выбирать в соответствии с номинальной мощностью и номинальным током двигателя. Достаточный запас прочности необходимо резервировать для лучшего контроля и управления динамическими ситуациями.

Нагрузочная способность (крутящий момент)

Как теоретические расчеты, так и лабораторные испытания показывают очевидный момент. Постоянная максимальная нагрузка (крутящий момент) двигателя, приводимого в действие частотным преобразователем, в основном зависит от характера модуляции и частоты переключения преобразователя, а также от конструкции мотора. Приведенный ниже график является руководством по выбору двигателя.

График зависимости частота-температура
График зависимости частоты: Т/% — процент увеличения температуры; F/Гц – частота, определяемая в Герцах; 1 – размерность электродвигателей в диапазоне 160-450; 2 – размерность электродвигателей в диапазоне 80-132; 3 – дополнительное отдельное охлаждение

Кривые графика представляют максимальный непрерывный момент нагрузки двигателя как функцию частоты (скорости), зависящей от повышения температуры.

При этом подводится номинальное синусоидальное напряжение питания, используется номинальная частота и полная номинальная нагрузка. Двигатели обычно рассчитаны на соответствие кривой повышения температуры класса B.

Например, стандартные двигатели (в отличие от двигателей для опасных зон) допускают, в таких случаях, размерность либо в соответствии с повышением температуры согласно кривой класса «B», либо кривой класса «F», чем обеспечивается более высокая нагрузочная способность.

Если в каталоге продукции указано, что повышение температуры согласно кривой класса «F» применяется к синусоидальному источнику питания, тогда при использовании преобразователя частоты размерность мотора доступно рассчитать на основе параметров соответствия с кривой класса «В».

Следующие двигатели допустимо использовать с преобразователями частоты:

  • электромоторы производственных процессов (разработаны с учётом требований промышленных применений);
  • электромоторы общего назначения с корпусами из алюминия и чугуна;
  • электромоторы для взрывоопасных сред (взрывозащищённые, искрогасящие, пылезащитные);

А также специальные моторы:

  • синхронные реактивные двигатели,
  • высокоскоростные двигатели,
  • электродвигатели на постоянных магнитах,

всегда приводятся в действие через преобразователь частоты вращения вала. Эксплуатация некоторых из таких моторов требует специального программного обеспечения преобразователя частоты.

Улучшение нагрузочной способности

Выходной крутящий момент двигателей, приводимых в действие преобразователями частоты при пониженном напряжении и на низких частотах, обычно немного уменьшается по причине нагрева, вызванного частотными гармониками и недостаточным охлаждением. Тем не менее, нагрузочную способность двигателей допустимо улучшить при помощи ниже отмеченных средств.

Более эффективное охлаждение

Достигается эффективность охлаждения обычно за счёт установки отдельного вентилятора с постоянной скоростью. Такой подход особенно полезен при низких скоростях электромоторов. Выбор оптимальной скорости двигателя вентилятора и конструкции лопастей обеспечивает более сильный эффект охлаждения.

Электромотор водяного охлаждения
Электромотор, оснащённый системой водяного охлаждения. Однако подобного рода конструкции – редкость практической эксплуатации. Чаще встречаются системы воздушного охлаждения

Жидкостное охлаждение (двигатели с водяным охлаждением) — еще один очень эффективный метод стабилизации рабочей температуры. Если эксплуатация проходит в крайне сложных условиях, концевые экраны подшипников также необходимо охлаждать. Например, путём добавления охлаждающих дисков на вал.

Преобразователь частоты и фильтрация выходного напряжения

Фильтрация выходного напряжения преобразователя частоты уменьшает гармонический состав напряжения и тока двигателя и, следовательно, уменьшает дополнительные потери в двигателе. Это уменьшает необходимость снижения номинальных показателей.

При определении размеров фильтров необходимо учитывать полную мощность привода и диапазон скоростей двигателя (дополнительное реактивное сопротивление). Однако фильтры способны ограничивать максимальный крутящий момент и скорость двигателя. Фильтры также уменьшают электромагнитный шум, ЭМС и пики напряжения.

Уровень изоляции

Для преобразователя частоты выходное напряжение (ток) чаще всего является импульсом напряжения (тока) или комбинацией импульсов. В зависимости от типа силовых компонентов преобразователя, а также конструкции силовой цепи, на переднем фронте импульса напряжения может формироваться значительный выброс.

Лимит температуры изоляции
Лимит температуры изоляции электромоторов, подключаемых через преобразователь частоты: 1 – максимально допустимая температура окружающей среды; 2 – допустимое наращивание температуры; 3 – температурный запас; A, E, B, F, H – класс изоляции

Вот почему степень изоляции обмотки всегда следует проверять в соответствии с рекомендациями для конкретного продукта. Основные правила здесь следующие:

  • при номинальном напряжении питающей сети (макс. 500В), для стандартных асинхронных двигателей усиление изоляции не требуется;
  • при номинальном сетевом напряжении 501- 600В требуется специальная изоляция двигателя и фильтры;
  • при номинальном напряжении сети 601 — 690В требуется специальная изоляция двигателя и фильтры.
  • при номинальном сетевом напряжении 601 — 690В и длине кабелей питания двигателя превышающей 150 метров, требуется специальная изоляция.

Заземление схем с преобразователями частоты

При использовании преобразователя частоты особое внимание следует уделять заземлению схемы с участием преобразователя частоты, чтобы тем самым обеспечить:

  • правильное действие всех защитных устройств и реле для общей безопасности;
  • минимальные или приемлемые электромагнитные помехи;
  • допустимый уровень напряжений в подшипниках (чтобы избежать токов в подшипниках и отказов).
Конструкция ЭМС сальника
Одно из конструктивных исполнений так называемого ЭМС-сальника, подходящего для кабеля преобразователя частоты: 1 – уплотняющий элемент непосредственно внутри; 2 – невыпадающий вращающийся конус; 3 – невыпадающее вращающееся конусное кольцо

Рекомендуется для подключения преобразователей частоты использовать симметричные экранированные кабели с кабельными сальниками, обеспечивающими 360-градусное соединение (так называемые ЭМС-сальники).

Работа на максимальной скорости

При использовании преобразователя частоты фактическая скорость двигателя может значительно отличаться от номинальной скорости. При работе на более высоких скоростях недопустимо превышать максимально возможную скорость двигателя и критическую скорость всего оборудования.

Когда двигатель работает на скорости выше номинальной, следует также проверять максимальный крутящий момент и конструкцию подшипника. Следует обратить внимание, что при использовании стандартного вентилятора, в таком случае, потери на трение увеличиваются, охлаждение снижается, уровень шума возрастает.

Максимальный крутящий момент

В области ослабления магнитного поля напряжение двигателя является постоянным, но магнитный поток двигателя и его способность создавать крутящий момент, уменьшаются примерно на квадрат частоты после точки ослабления поля (точки, после которой выходное напряжение остается постоянным, даже если выходная частота преобразователя увеличивается).

В точке максимальной скорости или в любой другой рабочей точке, в зоне ослабления поля максимальный крутящий момент (пробой) должен быть как минимум на 40% выше, чем крутящий момент нагрузки, чтобы избежать чрезмерного нагрева ротора.

Если между преобразователем частоты и электрическим двигателем используются фильтры или дополнительные реактивные сопротивления, необходимо учитывать падение напряжения при токе полной нагрузки.


На основе информации: ABB


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *